电涡流传感器阵列测试技术

摘要：针对采用扁平柔性电涡流传感器阵列实现大面积金属曲面部件位置实时监测，对电涡流传感器的阵列测试技术进行了研究。采用一种基于时分多路的电涡流阵列测试的方法，通过对传感器探头和测试电路的合理设计，使系统电路得到简化，减小阵列单元之间的串扰，提高传感器系统的测试性能，实现了电涡流传感器阵列的快速、高精度测量。
 
    电涡流传感器是一种基于电涡流效应的无损、非接触式的传感器，以其优良的测试性能，在机械量的测量以及金属材料的无损检测等领域得到广泛应用。电涡流传感器阵列测试技术的研究始于2O世纪80年代中期，在20世纪80年代末到90年代初，出现了一批电涡流阵列测试方面的文献和专利。近十年来，随着传感器技术的发展以及加工工艺技术水平的提高，电涡流传感器阵列测试的研究和应用得到极大的发展，不仅用来测量大面积金属表面的位移，而且由于具有同时检测多个方向缺陷的优点，被广泛应用于金属焊缝的检测，飞行器金属部件的疲劳、老化和腐蚀检测，涡轮机、蒸气发生器、热交换器以及压力容器管道等的无损检测中。
    
    采用阵列式传感器，不需使用机械式探头扫描即可实现大面积范围的高速测量，且能够达到与单个传感器相同的测量精度和分辨率，有效地提高了传感器系统的测试速度、测量精度和可靠性，此外，传感器阵列的结构形式灵活多样，可以非常方便地对复杂表面形状的零件进行检测，因此，阵列式传感器的研究成为当前传感器技术研究中的重要内容和发展方向。
    
    本文基于一种扁平柔性电涡流传感器阵列，对电涡流传感器的阵列测试技术进行了研究，采用时分多路的阵列测试方法，实现大面积金属表面的接近式测量。通过对传感器探头的线圈阵列及引线结构形式的合理设计，配合后续的处理电路及计算机控制，完成电涡流位移传感器阵列的快速、高精度测量及大面积金属曲面部件位置状态的实时监测。
    
    1、电涡流检测的基本原理
 
    电涡流检测的工作原理是检测激励线圈磁场和感应涡流磁场之间的交互作用。当敏感线圈通入交流电流时，线圈周围就会产生交变磁场，如图1（a），如果此时将金属导体耙材移入此交变磁场中，耙材表面就会感应出电涡流，而此电涡流又会产生一个磁场，该磁场的方向与原线圈磁场的方向正好相反，而减弱了原磁场。
    式中：σ，μ分别是被测金属导体的电导率和磁导率；f是激励信号的频率；x是线圈与金属导体的距离；r是线圈的尺寸因子，与线圈的结构、形状以及尺寸相关。
    
    可见，线圈阻抗的变化完整而且唯一地反映了被测金属导体的电涡流效应。实际检测时，对不需要的影响因素加以控制，就可以实现对上式中某个相关量的检测。作为接近式传感器，线圈到金属耙材之间的距离与线圈的阻抗直接相关，而检测金属表面或近表面的缺陷时，缺陷的存在将引起被测导体电导率和磁导率的变化，进而使线圈的阻抗参数发生改变。
    
    另一种方法是双线圈检测，如图1（b），通过使用另外一个线圈作为检测线圈，检测这两个磁场的叠加效果。根据法拉第电磁感应定律，检测线圈中将会产生一个感应电动势：
    
     
    式中：ψ是通过线圈的交变磁场的磁通量；n是线圈的绕线圈数。
    
    通过测量检测线圈中产生的电压即可非常容易地得到磁场的变化情况。
    
    2、电涡流阵列测试技术
    
    2.1 电涡流阵列的形式
    
    与其它一些传感器相比，电涡流传感器具有一个比较突出的优点——探头的结构非常简单。从电涡流检测的基本原理可以看出，电涡流传感器探头的关键部件是敏感线圈，因此电涡流阵列测试一般都是采用线圈阵列的方法，而不是将多个独立的传感器探头布置成阵列形式来使用。针对不同的测试条件和技术指标要求，线圈阵列可以设计成不同的结构和形式，以实现复杂形面部件的检测，但线圈阵列及其匹配电路的针对性设计也带来了相对昂贵的成本。
    
    虽然电涡流线圈阵列结构形式的设计灵活多变，但仍然可以根据其检测方式的不同，大体归为两种典型的阵列类型。① 基于单线圈检测的电涡流阵列，如图2（a）所示，一般是直接在基底材料上制作多个敏感线圈，布置成矩阵形式的阵列，而且为了消除线圈之间的干扰，相邻线圈之间要保留足够的空间。这种电涡流阵列大多用于大面积金属表面的接近式测量，检测部件的位置、表面形貌、涂层厚度以及回转体零件的内外径等，也可以用来检测裂纹等表面缺陷。② 基于双线圈方式的电涡流阵列检测，一般设计为一个大的激励线圈加众多小的检测线圈阵列的形式，如图2（b），它能够非常有效地实现大面积金属表面上多个方向的缺陷的检测，在无损检测的应用上具有较大的优势，已基本取代单线圈检测的应用。除此以外，近年还出现了一种基于电涡流效应的环绕线圈磁力计阵列L1 ，它实际上是一种基于双线圈检测的阵列类型，通过对激励线圈和检测线圈阵列结构的特殊设计，以取得较好的测试性能。
    电涡流传感器响应速度快的特点使其能够很好地采用电子扫描测试的方法，通过控制模拟开关，逐个扫描全部的阵列单元，实现传感器阵列中所有敏感单元的检测。采用扫描采样的方法，能够大大简化传感器的后续电路，降低系统的成本，而且有利于传感器系统的小型化，但是由于模拟开关的引入，也导致传感器的测试精度有所下降。
    
    电涡流传感器阵列测试的关键还在于线圈阵列的引线设计，图3是几种常用的基于单线圈检测原理的引线设计模式。图3（a）是敏感线圈两端分别引线的设计模式，图3（b）是行列垂直扫描式的引线设计。采用行列垂直结构形式的目的是为了减少传感器阵列的外接引线数目，这对于传感器的实际应用具有重要意义，但同时又不可避免地带来了各阵列单元间的串扰，降低了测量精度。解决串扰的问题，最简单的方法就是每个阵列单元单独引线（图3（a）），另外也可以将预处理电路与敏感单元集成，做成一体化的集成传感器单元，而其代价将是高昂的制作成本。有时为了提高扫描采样的速度，还会采用一种行扫描采样的方法，即每次扫描一行，从而大大提高传感器阵列的测试速度，但需要增加预处理电路的数量。
    3.2 测试系统与试验
    
    测试系统的工作原理如图5所示，通过计算机控制多路复用器，循环扫描采样所有的阵列单元。传感器的变换电路采用调频式振荡电路，电路输出的频率信号由计算机内置的频率数据采集卡来采集，然后将采集到的数据送入计算机进行处理，得到所需的被测曲面的位置。
 
    4、结论
 
    电涡流传感器阵列具有比传统电涡流传感器更加优越的测试性能和广阔的应用前景。本文设计了一种扁平柔性电涡流传感器阵列，以实现大面积金属曲面部件位置的实时监测。通过对电涡流阵列测试技术的研究，采用分时复用的扫描检测方法和信号传输方法，将传感器线圈阵列中所有线圈的一端设计为公共接地端，另一端分别接入多路复用器，只用一套信号变换电路和信号调理电路即完成传感器阵列中全部敏感线圈的采样，不仅简化了系统电路，而且减小了各阵列单元间的干扰，提高了传感器系统的性能，实现了电涡流传感器阵列的快速、高精度测量。试验结果表明，在2 mm 的测量范围内，传感器阵列的测试精度达到±O.25，且具有较高的灵敏度，满足了大面积金属曲面部件位置实时监测的应用要求。